JP2753920B2 - 焦電素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、火災検知用の炎感知器
や防犯用の侵入検知器に使用される赤外線を検出するた
めの焦電素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】焦電素子は、焦電体を使用した赤外線セ
ンサであり、火災発生時に炎の赤外線を検知する炎感知
器や、防犯設備に使用される人体の赤外線を検出する侵
入検知器など検出素子に利用される。

【０００３】従来、焦電素子は、図２に示すようにフィ
ルタ９を有する金属製のキャン１０とステム１１とによ
り筐体が構成されている。ステム１１を貫通する３本の
ドレイン端子、ソース端子、アース端子を構成するピン
４、５、６の上端部にプリント基板１２が載置され、電
気回路部が構成されている。

【０００４】焦電素子の電気回路部は、通常プリアンプ
用の電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴと呼ぶ）のソ
ース電極が焦電体の一方の電極に接続される。そして、
感度の周波数特性を制御するために焦電体と並列にゲー
ト抵抗が設けられ、その電気時定数により低域のカット
オフ周波数を決定している。このゲート抵抗には、従来
１００〜２００ギガオームの高抵抗のものが使用され、
特に人体用のものについては、素子自体の周波数特性を
広くしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ゲート抵抗の抵抗値を
１００ギガオームとすると、焦電素子感度の応答周波数
は、約０．５Hzをピークにした山形の特性が得られる。
火災検知用の場合に必要な炎による周波数特性は約８Hz
にピークがあることが知られており、上記の約０．５Hz
にピークを有する特性では、炎を検知する場合、検知し
たい周波数帯域外に出力感度がピークとなることになっ
てしまう。ただ、侵入検知器に使用する場合の人体から
の赤外線の周波数特性は、約０．１Hzにピークを有して
いる。

【０００６】また、上記焦電素子の周囲温度を変化させ
ると、出力が出なくなる場合がある。即ち、ゲート抵抗
の抵抗値が大きいと、焦電体に印加される電圧は小さ
く、例えば周囲温度を毎分１．４℃の割合で降下させる
と、無信号状態となる。周囲温度の変化は、空調の関係
など通常の設置場所に種々の要因があり、無信号状態と
なることは、非常に問題がある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、火災検知用に
適した周波数特性を有する焦電素子を有する焦電素子を
得ることを目的として、炎の赤外線を検出するための焦
電素子において、筐体内に電界効果トランジスタのゲー
ト電極がＰＶＤＦからなる焦電体の一方の端子に接続さ
れ、前記焦電体の両端子間にゲート抵抗が並列に接続さ
れ、前記ゲート抵抗の抵抗値が５ギガオームから１０ギ
ガオームであることを特徴とするものである。

【０００８】

【０００９】

【作用】ゲート抵抗の抵抗値を低くすることにより、炎
による赤外線の周波数特性に適応した焦電素子が得られ
る。また、ゲート抵抗の抵抗値を５０ギガオーム以下に
抑えると、温度変化によるノイズ成分を小さくすること
ができ、温度サイクル試験時などに発生する無信号状態
（素子の温度変化が急勾配時に信号が無くなる状態、ピ
ンチオフと呼ぶ）が現れなくなる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例について、図１また
は図２を用い説明する。図１は本発明の焦電素子の回路
図の一実施例であり、図２はその概略断面図の一実施例
であるが、図２に関しては上記従来例と同様なので説明
は省略する。

【００１１】図１において、１はＰＶＤＦによる焦電
体、２はＦＥＴで、そのゲート電極は焦電体１の一方の
電極と接続されている。３は焦電体１に並列に接続され
るＦＥＴ２のゲート抵抗、４はＦＥＴ２のドレイン電極
に接続されたドレイン端子、５はＦＥＴ２のソース電極
に接続されたソース端子、６は焦電体１の他端の電極と
接続されたアース端子である。７はＦＥＴ２のドレイン
電極とアース間に設けられ、高周波側の誘導ノイズをカ
ットするためのコンデンサであり、コンデンサ７、８
は、容量が１０pF程度であり、後述する実験結果には影
響を与えず、また構成上なくてもよい。ＦＥＴ２および
ゲート抵抗３等からなる電気回路部は、筐体内のプリン
ト基板１２に搭載されている。

【００１２】このような焦電素子では、焦電体１で受光
される赤外線の変化に応じてＦＥＴ２のゲート電位が変
化し、この電位変化により、ソース端子５とアース端子
６間に検出電圧が生じる。この検出電圧を、図示しない
電気回路に接続し、増幅回路で増幅した後、判別回路で
基準値と比較して、例えば火災信号を出力する。

【００１３】図４に、焦電素子の周波数応答特性を調べ
るための装置構成を示した。１３は赤外線を照射する光
源、１４は一定の周期で回転し任意の周波数を作成でき
る回転チョッパ、１５は試験される焦電素子、１６は焦
電素子１５の出力を電気的に増幅する交流結合増幅器、
１７は回転周波数に応じた制限出力のみを取り出すため
のバンドパスフィルタである。

【００１４】図４の装置を利用して、焦電素子の周波数
応答特性を調べた結果を図３に示した。図において、横
軸は回転チョッパ１４による周波数（Hz）、横軸は焦電
素子１５の出力感度（mV）である。曲線Ａは、焦電体１
がＰＶＤＦでありゲート抵抗３の抵抗値が１００ギガオ
ームの場合であり、曲線Ｂは、曲線Ａの焦電体１がＰＺ
Ｔの場合である。ゲート抵抗３の抵抗値が１００ギガオ
ームであると、約０．５Hzあたりにピークを有する山形
になる。この特性では、炎の赤外線や人体からの赤外線
の両方に対応することができる。

【００１５】曲線Ｃは、曲線Ａのゲート抵抗３の抵抗値
を１０ギガオームにしたものである。曲線Ｃの場合に
は、炎特有の約８Hzの部分の感度を低下させることな
く、低域側の感度を落とし、同時に、焦電体１がＰＶＤ
Ｆであるので、特性の山形がシャープになり、炎を検出
するのに適した特性となっている。カットオフ周波数、
即ち、山形のピーク値をfcとすると、fcは次式の関係が
成り立つ。

【００１６】fc ＝ １／（２π・ｃ・Rg） ここで、ｃは焦電体１のコンデンサ容量およびＦＥＴ２
の入力容量の和、Rgはゲート抵抗３の抵抗値、πは円周
率である。この式に従い、抵抗値Rgを小さくしていく
と、カットオフ周波数fcは大きくなり、低域をカットし
たい場合には、抵抗値Rgを小さくしてやればよい。それ
で、ゲート抵抗３の抵抗値を５ギガオームにすれば、約
８Hzの部分にピークが位置するが、感度自体は僅かに低
下してしまう。従って、これ以上抵抗値を低下させるこ
とは、感度が低下するとともにピークの位置も外れてし
まう。これらのことは、焦電体１の電気的性質の問題で
あり、焦電体１の材質に関わらない。

【００１７】ゲート抵抗３の抵抗値の大きさは、温度サ
イクル試験にも影響がある。温度サイクル試験とは、通
常高温から低温へ所定時間で周期的に変化させ、何回か
行った後に正常な検出信号が出るかどうかを確認する試
験である。実際には、この試験の結果に影響を与えるの
ではなく、温度を変化させるときの信号に不具合があ
る。

【００１８】図６に温度サイクル試験を行う装置につい
て示した。フレーム２１に試験を行う素子の取付部２２
が設けられ、フレーム２１の素子受光面側には断熱材２
３が詰められた断熱キャップ２４が装着されている。取
付部２２から突出する素子のピンへ、信号を取り出すた
めの信号線２５が半田付けされている。そしてこの装置
全体が図示しない温度調整装置に設置される。

【００１９】図６の装置を利用して焦電素子の温度サイ
クル試験を行ったときのノイズレベルを図５に示した。
Ｄは抵抗値が５ギガオームの場合であり、Ｅは１０ギガ
オーム、Ｆは３０ギガオーム、Ｇは５０ギガオーム、Ｈ
は１００ギガオームの場合であり、各抵抗値において２
個の素子について行われている。Ｉはそのときの周囲温
度であり、摂氏−５０℃から＋５０℃の範囲で、上り約
３．７℃、下り約１．４℃の勾配で変化させている。

【００２０】その結果から明らかなように、Ｇの５０ギ
ガオームおよびＨの１００ギガオームの場合には、完全
にピンチオフが現れている。それに対して、Ｅの１０ギ
ガオームおよびＦの３０ギガオームの場合には、Ｄの５
ギガオームの場合程安定していないが、信号が出続けて
いる。

【００２１】これは、本実施例の回路構成では、温度を
高温側から低温側へ比較的急速に低下させるときに、一
時的に焦電体１上に電荷が溜まってしまいＦＥＴ２が飽
和してしまうので、結果的に信号が無くなってしまう。
このことは、この焦電素子は外気の変動が大きいと、信
号が出ない状態があることを示唆している。

【００２２】即ち、ピンチオフが現れる素子で炎感知器
や侵入検知器を作成すると、周囲の温度の変化によっ
て、例えば強風や水分付着による急激な気温の変動の場
合に、正確な火災信号や防犯のための信号を送出できな
いことになる。

【００２３】従って、ゲート抵抗３の抵抗値を小さくす
ることは、周波数特性の問題だけでなく、ピンチオフや
信号の安定性にも効果がある。

【００２４】以上のように、本発明は、炎の赤外線を検
出するための焦電素子において、筐体内に電界効果トラ
ンジスタのゲート電極がＰＶＤＦからなる焦電体の一方
の端子に接続され、前記焦電体の両端子間にゲート抵抗
が並列に接続され、前記ゲート抵抗の抵抗値が５ギガオ
ームから１０ギガオームであることから、炎による赤外
線の周波数特性に適した焦電素子とすることができると
ともに、周囲の温度変化に対してピンチオフが現れなく
なり、信号の安定性が向上するという効果がある。

【００２５】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の焦電素子の回路構成を簡単に示す電気
回路図。

【図２】本発明の焦電素子の構成を簡単に示す断面図。

【図３】焦電素子の周波数特性を応答周波数に対する感
度で示した図。

【図４】図３の周波数特性を測定するための装置構成
図。

【図５】焦電素子の温度サイクル試験を行ったときのノ
イズレベルを示した図。

【図６】図５の温度サイクル試験を行うための装置構成
図。

【符号の説明】

１ 焦電体 ２ 電界効果トランジスタ（ＦＥＴ） ３ ゲート抵抗

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炎の赤外線を検出するための焦電素子に
   おいて、筐体内に電界効果トランジスタのゲート電極が
   ＰＶＤＦからなる焦電体の一方の端子に接続され、前記
   焦電体の両端子間にゲート抵抗が並列に接続され、前記
   ゲート抵抗の抵抗値が５ギガオームから１０ギガオーム
   であることを特徴とする焦電素子。